高粱秸稈自干后的材料力學(xué)性質(zhì)研究

武翠卿，李楠，張帥，武新慧，郭玉明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

?

高粱秸稈自干后的材料力學(xué)性質(zhì)研究

武翠卿，李楠，張帥，武新慧，郭玉明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：高粱秸稈直接還田或漚肥是很好的有機(jī)肥料，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的重要資源。在相關(guān)應(yīng)用中需要進(jìn)行粉碎、切段、壓榨等加工，針對(duì)加工參數(shù)的優(yōu)化需要研究其力學(xué)性質(zhì)。本文試驗(yàn)研究了越冬后自然干燥的高粱秸稈的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、穿刺強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，以及莖稈不同節(jié)間力學(xué)性質(zhì)的變化等材料力學(xué)特性，為相關(guān)加工設(shè)備設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高粱秸稈;自然干燥;力學(xué)性質(zhì);材料強(qiáng)度

高粱秸稈的材料結(jié)構(gòu)是由外部強(qiáng)度硬度較高的皮質(zhì)層包裹著內(nèi)部彈性較好的胞體蜂窩狀內(nèi)芯材料構(gòu)成，有著獨(dú)特的材料力學(xué)性質(zhì)特性。秸稈直接還田或漚肥是較好的有機(jī)肥，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用、手工編織產(chǎn)品的基材和環(huán)保建材開(kāi)發(fā)等綜合利用的重要生物質(zhì)資源。因此需要專門研究自然干燥后的高粱秸稈及皮質(zhì)層的力學(xué)性質(zhì)，為相關(guān)加工裝備設(shè)計(jì)和加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參數(shù)和理性參考依據(jù)。有關(guān)作物秸稈生物力學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在生長(zhǎng)期，對(duì)玉米秸稈力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)與抗倒伏及取樣條件等因素的影響研究[1~5]，對(duì)小麥莖稈生物力學(xué)性質(zhì)及抗倒伏特性的研究[ 6,7]，對(duì)小麥、谷子、玉米、高粱、大豆等莖稈作物莖稈材料力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[8~10]，測(cè)試了莖稈作物的形態(tài)特性指標(biāo)和拉伸、剪切、彎曲等基本變形形式下的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并研究了它們之間的相關(guān)關(guān)系和應(yīng)用生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)莖稈作物抗倒伏特性。關(guān)于高粱秸稈生物力學(xué)性質(zhì)方面的研究較少，且自然干燥后的高粱莖稈在生物質(zhì)利用中有著廣泛的應(yīng)用，為此本文對(duì)其進(jìn)行了拉伸、彎曲、剪切、穿刺等相關(guān)力學(xué)性質(zhì)研究，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1　試驗(yàn)樣本采集及制備

試驗(yàn)用樣本選自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)所在地太谷縣北洸農(nóng)民儲(chǔ)存越冬的高粱秸稈，含水率為2.01%，挑選節(jié)間、直徑粗細(xì)勻溜，且沒(méi)有破損、彎折的整桿，削去根須、頂部，去除葉鞘、包葉等，將處理好的莖稈運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室保存，以備試驗(yàn)。

1.2　試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為CMT6104型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，本文進(jìn)行的莖稈彎曲、拉伸、剪切均由該儀器配套的相應(yīng)試驗(yàn)夾具完成。其它儀器或工具：3KFG-01電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；精度為0.1 mg的電子分析天平；精度為0.01 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺等。

1.3　試驗(yàn)方法

將采集好的高粱莖稈自節(jié)間處鋸斷，從根部莖節(jié)向上依次標(biāo)號(hào)，每節(jié)取5個(gè)以上試樣(保證測(cè)取5個(gè)有效數(shù)據(jù))，然后用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定試樣受力點(diǎn)的外徑。由于高粱莖稈橫截面近似圓形，彎曲試件取其軸徑測(cè)量3次平均值作為外徑(表1)。莖稈皮質(zhì)層和內(nèi)芯材料的試件在不同節(jié)間切取，制作成標(biāo)準(zhǔn)試件備用(矩形尺寸見(jiàn)表2)，測(cè)取所需原始數(shù)據(jù)，包括莖稈材料含水率、節(jié)間數(shù)、原始尺寸等形態(tài)特性指標(biāo)。按材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法設(shè)計(jì)出拉伸、彎曲、剪切等不同變形形式對(duì)應(yīng)下的試驗(yàn)方案(參照金屬材料性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 228—87等以及文獻(xiàn)[11]給出的參考方法)，按方案進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并自動(dòng)繪制載荷位移曲線，按材料力學(xué)算式計(jì)算出相關(guān)材料力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1　高粱載荷-位移曲線Fig.1　Load-Displacement Curve of sorghum stalk

2.1　高粱莖稈彎曲性質(zhì)分析

表1　高粱莖稈彎曲力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

繪制出高粱莖稈不同節(jié)間的最大彎曲載荷、抗彎強(qiáng)度和彈性模量的變化圖，如圖2所示。

圖2　高粱莖稈彎曲力學(xué)性質(zhì)Fig.2　Bending mechanical property of sorghum stalk

由圖2可知，高粱莖稈的最大彎曲載荷、抗彎強(qiáng)度均隨著節(jié)間高度的增加呈現(xiàn)很小的下降趨勢(shì)。取樣高度對(duì)彈性模量的影響較小，呈現(xiàn)出略微的上升趨勢(shì)。

2.2　高粱莖稈皮質(zhì)層拉伸力學(xué)性質(zhì)分析

由圖3可知，玉米莖稈皮質(zhì)層拉伸試驗(yàn)，最大拉力和抗拉強(qiáng)度均隨著取樣節(jié)間位置向上而減少，彈性模量的趨勢(shì)也大致相同。

表2不同節(jié)間高粱莖稈皮質(zhì)層拉伸力學(xué)性質(zhì)

Table 2Tensile property of different sorghum stalk cortical layer

節(jié)間Internode表皮寬度/mmBreadth表皮厚度/mmThickness最大拉伸載荷/NTensile抗拉強(qiáng)度/MPaTensilestrength彈性模量/MPaElasticitymodulus11.01.0190.91190.916536.1821.01.0152.15152.156549.4631.01.0139.65139.656571.62841.01.0116.28116.286532.75151.01.0111.32111.324678.994

高粱莖稈不同節(jié)間皮質(zhì)層拉伸最大載荷、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的變化圖，如圖3所示。

圖3　不同節(jié)間高粱莖稈皮質(zhì)層拉伸力學(xué)性質(zhì)Fig.3　Tensile property of different sorghum stalk cortical layer

2.3　玉米莖稈皮質(zhì)層剪切力學(xué)性質(zhì)分析

表3　高粱莖稈皮質(zhì)層剪切力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

高粱莖稈不同節(jié)間皮質(zhì)層剪切最大載荷、剪切強(qiáng)度的變化圖，如圖4所示。

圖4　高粱莖稈皮質(zhì)層剪切力學(xué)性質(zhì)Fig.4　Shear property of sorghum stalk cortical layer

看出高粱莖稈皮質(zhì)層的最大剪切力和剪切強(qiáng)度都隨節(jié)間的增大而減小。

表4　高粱莖稈內(nèi)芯剪切力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

高粱莖稈不同節(jié)間內(nèi)芯材料剪切最大載荷、剪切強(qiáng)度的變化圖，如圖5所示。

圖5　高粱莖稈內(nèi)芯剪切力學(xué)性質(zhì)Fig.5　Shear property of sorghum stalk inner core

由圖可知，高粱莖稈內(nèi)芯的最大剪切力和剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與高粱莖稈表皮的變化趨勢(shì)一致，即隨著取樣高度的增加，最大剪切力和剪切強(qiáng)度略減小。

2.4　高粱莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度性質(zhì)分析

利用生物材料物性分析儀，選擇橫截面積為1 mm2的探頭，對(duì)高粱莖稈的皮質(zhì)層進(jìn)行了穿刺強(qiáng)度試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　高粱莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度

由表5數(shù)據(jù)作出穿刺強(qiáng)度隨節(jié)間的變化趨勢(shì)圖如圖6，看出高粱莖稈皮質(zhì)層的穿刺強(qiáng)度隨著取樣位置的增加而降低。

3結(jié)論與討論

(1)高粱莖稈的最大彎曲載荷、抗彎強(qiáng)度均隨著節(jié)間高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，取樣高度對(duì)彈性模量的影響較小，反映出整體高粱莖稈的材料性質(zhì)基本相同，在高粱莖稈整桿利用中可不必考慮部位的選擇。

圖6　高粱莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度隨節(jié)間變化趨勢(shì)Fig.6　Relationship of cortical layer puncture strength of sorghum stalk and inner node

(2)高粱莖稈皮質(zhì)層的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度、穿刺強(qiáng)度等均隨不同節(jié)間部位有變化，從根部起往上強(qiáng)度值越小，彈性模量的變化趨勢(shì)也大致相同。反映出高粱莖稈不同節(jié)間的皮質(zhì)層材料性質(zhì)有變化，根部的皮質(zhì)層材料特性較強(qiáng)，在高粱莖稈開(kāi)發(fā)編織產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)應(yīng)選擇靠近根部位置取樣。

(3)高粱莖稈不同節(jié)間的內(nèi)芯材料剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與上述結(jié)論大體一致，但高粱莖稈內(nèi)芯材料的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其莖稈皮質(zhì)層，反映出其單獨(dú)承載能力較弱。但內(nèi)芯與皮質(zhì)層整體構(gòu)成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有著優(yōu)良的生物材料微結(jié)構(gòu)特性[8]，為新材料的開(kāi)發(fā)提供了結(jié)構(gòu)仿生的參考思路。

結(jié)論看出，高粱秸稈干燥后力學(xué)性質(zhì)隨節(jié)間部位的不同有變化，在生物質(zhì)加工利用、編織基質(zhì)材料和復(fù)合材料加工等實(shí)際應(yīng)用中需考慮其各部位力學(xué)性質(zhì)的變化針對(duì)性地進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]陳艷軍,吳科斌,張俊雄,農(nóng)克儉,李建生,李偉. 玉米莖稈力學(xué)參數(shù)與抗倒伏性能關(guān)系研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(6):89-92.

[2]王春芳,毛明,泮進(jìn)明,于勇,騰斌. 玉米莖稈取樣條件對(duì)其彈性模量的影響研究[J].農(nóng)業(yè)工程,2012,2(1):48-53.

[3]于勇,林怡,毛明,王為民,田鳳,泮進(jìn)明,應(yīng)義斌. 玉米莖稈拉伸特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(6):70-76.

[4]楊廷文. 玉米莖稈及其打捆力學(xué)特性研究[D].山東理工大學(xué),2014.

[5]侯杰. 玉米秸稈力學(xué)特性與理化指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)性[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[6]袁紅梅，郭玉明，李紅波，等.小麥莖稈彎折力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,25(2):173-176.

[7]Sterling M, Baker C J, Berry P M, et al. An experimental investigation of the lodging of wheat[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 119: 149- 165.

[8]梁莉，郭玉明.作物莖桿生物力學(xué)性質(zhì)與形態(tài)特性相關(guān)性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(8):1-6.

[9]郭玉明，袁紅梅，陰妍，等.莖稈作物抗倒伏生物力學(xué)評(píng)價(jià)研究及關(guān)聯(lián)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(7):14-18.

[10]馬凡鐘,劉繼展. 農(nóng)作物莖稈力學(xué)試驗(yàn)的研究綜述[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(8):5-9.

[11]王習(xí)術(shù). 材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

Study on mechanical properties of air drying sorghum stalk

Wu Cuiqing, Li Nan, Zhang Shuai, Wu Xinhui，GuoYuming

(CollegeofEngineeringandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:The sorghum stalk direct-application or waterlogged compost was the high quality organic fertilizer, largely increase soil organic matter, and it also was an important resource of biomass energy conversion and mixed feed utilization. Processing such as smashing, rubbing and cutting should be performed in these applications, so we studied its mechanical properties for optimization of process parameters. We tested the bending strength of air drying sorghum stalk after winter, and the shear strength, tensile strength, elasticity modulus, puncture strength of the cortical layer and inner core, and studied regularity of the stress and strain, bending resistance and the mechanical properties regulation of different internodes. The study provides rational reference basis for related processing equipment and optimization of process parameter.

Key words:Sorghum stalk; Air drying; Mechanical properties; Stalk material strength

中圖分類號(hào)：Q66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)01-0061-04

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20111403130001)，山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(2013011066-9)

作者簡(jiǎn)介：武翠卿(1972-)，女(漢)，山西太谷人，講師，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用基礎(chǔ)

收稿日期：2015-07-21修回日期：2015-10-10